有机场效应晶体管新型聚合物半导体材料的合成及性能研究

发布时间：2017-10-18 12:07

  本文关键词：有机场效应晶体管新型聚合物半导体材料的合成及性能研究

  更多相关文章： 有机场效应晶体管 聚合物 半导体 D-A结构 DPPT结构 星形 单体比例

【摘要】：当今时代是信息时代,信息的传递和共享对于整个社会的发展起到关键的作用。作为信息工业的基石,半导体材料在最近十几年得到了快速的发展和广泛的关注。半导体材料分为有机半导体材料和无机半导体材料,相对于无机材料,有机半导体材料具有可设计合成、易裁剪、成本低和可溶液加工等优点。基于有机半导体材料的有机场效应晶体管也因具有价格低廉、质量轻、可应用于柔性基底和可大面积制备等优点,在各种存储器件及显示装置方面显示了巨大的应用前景,而且经过近几十年的高速发展,有机场效应晶体管已经处在产业化的边沿。作为有机场效应晶体管的核心组成部分,有机半导体材料一直是众多科研工作者研究的重点。目前已经合成出许多高稳定、高迁移的有机半导体材料,特别是部分小分子材料的性能已经可以与无定形硅相媲美。然而,相比小分子,聚合物材料通常具有更好的可加工性和机械性能。利用低成本的溶液法制备有机场效应晶体管,发展高稳定性、高溶解性、高迁移率的聚合物半导体材料是目前该领域一个重要的研究热点。本论文所研究的内容主要集中在几种新型聚合物有机半导体材料的合成、性质研究以及在有机场效应晶体管中的应用表征。主要内容如下：1.利用含有醌式结构的蒽醌、苯并二噻吩二酮、苯并二呋喃二酮作为结构单元与DPPT共聚,得到三种D-A结构共聚物。利用TGA和DSC表征了聚合物的热力学性质,三个聚合物都具有较好的热稳定性,分解温度均在400℃左右。紫外可见吸收光谱和循环伏安法研究表明聚合物具有很窄的带隙和较好的氧化还原稳定性。利用溶液法甩膜,在氧化硅基底上制备聚合物薄膜,并通过AFM和XRD表征了不同的退火温度下聚合物薄膜的形貌特征。结果显示PDPPT-DBADO退火温度在160℃时,形成的薄膜较为连续；其他两个聚合物在120℃时,薄膜形貌较好。制备了基于三个聚合物的薄膜的场效应晶体管器件,结果显示三个聚合物均为稳定的性能平衡的双极性材料,最高性能均在10-2左右。2.为了研究羰基个数及位置对聚合物极性及电学性能的影响,利用环戊二烯并二噻吩一酮、苯并二噻吩(4,8)二酮与苯并二噻吩二酮作为受体,与DPPT共聚,设计、合成了三个D-A结构共聚物PDPPT-DBCDOn、PDPPT-DBTDO、PDPPT-2,7-DBTDO。TGA和DSC测试结果表明聚合物具有较好的热稳定性,分解温度均在330℃以上。根据薄膜的紫外吸收光谱最大吸收峰的边缘估算三个聚合物的禁带宽度均小于1.30 eV,具有双极性材料必需的特征。电化学分析表明聚合物具有较好的氧化还原稳定性。3.为了通过改变单体的比例来调控聚合物的能级从而实现对电子和空穴的注入进行更加微观和细致的调控,设计、合成了含不同比例的DPPT,联二噻吩(donor结构)和联二噻咯(acceptor结构)三组分共聚聚合物。TGA测试结果显示该系列聚合物具有很好的热稳定性,分解温度都在350℃以上。利用紫外吸收光谱对聚合物进行光物理性质分析,聚合物在紫外可见区均表现出很宽的吸收带,甚至在近红外区都有很强的吸收,相应的能级带隙很窄,均小于1.5eV,表明该系列化合物有可能产生双极性场效应晶体管电学特性。较宽的吸收光谱也有利于在有机光伏电池中的应用。4.利用苯并三噻吩和苯联三噻吩两个结构单元分别与噻咯并二噻吩共聚得到两个二维星型聚合物。利用紫外吸收光谱和荧光光谱研究了聚合物光物理性质,结果表明含有稠环苯并三噻吩的聚合物比含苯联三噻吩的聚合物共轭度更高。利用热重分析来表征聚合物的热稳定性,显示两个聚合物的热分解温度都在200℃以上。利用溶液法制备了薄膜场效应晶体管器件,初步结果表明聚合物具有P-型特性。
【关键词】：有机场效应晶体管 聚合物 半导体 D-A结构 DPPT结构 星形 单体比例
【学位授予单位】：杭州师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386;TQ317
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-50
• 1.1 引言11-13
• 1.2 有机场效应晶体管的工作原理,器件结构及发展历程13-19
• 1.2.1 有机场效应晶体管的工作原理13-14
• 1.2.2 有机场效应晶体管的结构14-17
• 1.2.3 有机半导体材料的发展历程17-19
• 1.3 有机半导体材料的分类19-36
• 1.3.1 有机小分子半导体材料19-28
• 1.3.1.1 有机小分子p型半导体材料19-25
• 1.3.1.2 有机小分子n型半导体材料25-28
• 1.3.2 有机聚合物半导体材料28-36
• 1.4 有机场效应晶体管的制备工艺36-42
• 1.5 本论文的选题依据42-43
• 1.6 参考文献43-50
• 第二章 新型并吡咯二酮(DPP)基双极性有机场效应晶体管半导体材料的合成及性质研究50-73
• 2.1 引言50-52
• 2.2 实验部分52-55
• 2.2.1 原料以及仪器52-53
• 2.2.2 合成步骤53-55
• 2.3 结果与讨论55-71
• 2.3.1 聚合物的GPC数据分析55-56
• 2.3.2 聚合物的热力学性质56-57
• 2.3.3 聚合物的光物理性质57-59
• 2.3.4 聚合物的电化学性质59-60
• 2.3.5 聚合物结构的DFT计算60-62
• 2.3.6 聚合物的XRD分析62-63
• 2.3.7 聚合物的薄膜形貌表征63-65
• 2.3.8 聚合物的OFET性能65-71
• 2.4 本章实验小结71-72
• 2.5 参考文献72-73
• 第三章 新型DPPT系列的有机场效应晶体管(二)73-89
• 3.1 引言73-74
• 3.2 实验合成与表征部分74-78
• 3.2.1 原料以及仪器74-75
• 3.2.2 合成步骤75-78
• 3.3 结果与讨论78-87
• 3.3.1 聚合物GPC数据分析78-79
• 3.3.2 聚合物的热力学性质79-80
• 3.3.3 聚合物的光物理性质80-81
• 3.3.4 聚合物的电化学性质81-82
• 3.3.5 聚合物的DFT计算82-83
• 3.3.6 聚合物的XRD分析83-84
• 3.3.7 聚合物的薄膜形貌表征84-85
• 3.3.8 聚合物的OFET性能85-87
• 3.4 本章实验小结87-88
• 3.5 参考文献88-89
• 第四章 研究单体组成对DPP系列聚合物性能的精细调控89-101
• 4.1 引言89-91
• 4.2 实验合成与表征部分91-95
• 4.2.1 原料以及仪器91-92
• 4.2.2 合成步骤92-95
• 4.3 结果与讨论95-99
• 4.3.1 DFT计算的三个单体的电子云结构95-96
• 4.3.2 聚合物的GPC数据分析96-98
• 4.3.3 聚合物的TGA数据分析98
• 4.3.4 聚合物的紫外吸收光谱分析98-99
• 4.4 本章实验小结99-100
• 4.5 参考文献100-101
• 第五章 星形聚合物的合成及性能研究101-114
• 5.1 引言101-103
• 5.2 实验合成与表征部分103-108
• 5.2.1 原料及仪器103-104
• 5.2.2 合成步骤104-108
• 5.3 结果与讨论108-112
• 5.3.1 聚合物GPC数据分析108-109
• 5.3.2 聚合物热重分析(TGA)109-110
• 5.3.3 聚合物的光物理性质110-111
• 5.3.4 聚合物的OFET性能研究111-112
• 5.4 本章实验小结112-113
• 5.5 参考文献113-114
• 第六章 总结与展望114-116
• 附录116-119

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